地下污水處理廠尾水提升導流墻設置CFD技術應用

趙 仝，陳玉英，王 佳，沈 浩，史成波，滕 峰

(1.蘭州交通大學環境與市政工程學院，甘肅 蘭州 730070；2.中國市政工程中南設計研究總院有限公司，湖北 武漢 430000)

作為現代城鎮生活必不可少的組成設施，城市污水處理廠對于環境資源合理配置、城市生態有效改善，以及“碳中和”目標的實現有著不可替代的作用。相比于地上污水處理廠的地上面積占用、環境美化需求等方面的問題[1]，越來越多的地下污水處理廠走入人們的視野[2]。因其尾水與地表存在一定高差，地下污水廠設置尾水提升泵成為必需，但如果尾水水流不能在多臺并聯尾水泵間合理配置，不但會增大系統壓損，還會導致水泵液擊、汽蝕等的發生，合理設置導流墻能夠有效減輕此類現象的發生。

文獻[3]利用模型試驗的方法對某水電站溢洪渠道非對稱進口導流墻的設置進行了優化研究，結果顯示，優化方案在溢洪渠道水力特征改善方面的作用顯著，不僅對溢洪渠道的設計施工具有較高借鑒意義，還可有力支撐溢洪渠道引渠段復雜流場的分析。文獻[4]采用CFD數值模擬分析二級泵房吸水井不同高度液位對吸水效果的影響，以期得到最低運行液位的判定依據和標準，以及有效降低最低運行液位的設計思路。文獻[6—8]采用不同計算軟件對各類工程實際問題做各方面計算。結果表明：引入湍流黏度進行數值模擬可更準確的快速模擬分析該類問題，采用導流墻措施可有效解決水泵噪聲、震動等問題。

合理設置導流裝置可有效減緩因并聯提升水泵間液體分配不均導致的液擊和汽蝕，以及系統壓損增大等問題，而運用CFD技術輔助地下污水廠尾流提升導流墻的合理設置省時省力，但相應參考亟需填補。本文以陳江街道辦二號污水處理廠尾水提升泵房為例，利用Fluent軟件對其合理布局及導流墻設置進行優化分析，為相似問題的解決提供借鑒。

1 項目概況

項目位于廣東省惠州市仲愷高新技術產業開發區陳江街道辦內，服務范圍包括惠州仲愷潼僑工業片區、科技金融新區及部分潼僑中心區及部分LED產業園片區等區域。污水處理廠區總規模100000m3/d，總用地面積約3.1公頃，采用全埋地下式“粗細格柵+膜格柵+曝氣沉砂池+AAO+MBR+紫外線消毒”處理，廠區出水水質按地表準Ⅳ類水標準設計，其中總氮出水指標上限為15mg/L。

尾水泵房模型如圖1所示，污水處理廠尾水提升泵房為鋼混結構，模型結構尺寸為25.9m×11.0m×8.1m(長×寬×高)。泵房內設5臺軸流潛水泵(四用一備)，單臺流量、揚程和功率分別為1360m3/h、7mH2O和45kW。

2 數值模擬

為了得到不同結構導流墻設計方案影響尾水提升泵性能的作用，本文使用CFD技術對泵房污水流場流速分布、壓力分布情況進行數值模擬及分析。

2.1 物理模型

根據設計方案，本文首先利用revit軟件建立了水泵房的物理模型(圖1)，通過revit軟件中的附加模塊導入CFD中進行網格劃分等一列工作。

圖1 尾水泵房模型

2.2 數值方程及邊界條件

數值方程包括連續性方程、動量方程以及RNGk-ε模型方程，并通過修正湍流粘度考慮水流的旋流流動，同時提高直角彎頭大曲率情況下的計算精度。其中k和ε的輸運方程分別為：

(1)

(2)

式中，ρ—流體密度，kg/m3；GK—平均速度梯度引起的湍流動能的產生；Gb—由浮力產生的湍流動能；YM—可壓縮湍流中波動膨脹對總耗散率的貢獻；αK和αε—K和ε有效普朗特數的倒數；SK和Sε—定義源項。以上數值模型壓力為相對壓力，進口采取速度進口邊界條件，出口采用壓力出口邊界條件。通過設置迭代殘差10-6作為收斂判據。

2.3 網格劃分及獨立性驗證

采用ANAYS軟件中的MESH工具對尾水泵房模型計算區域進行離散，速度及壓力梯度較大局部區域進行網格加密，區域網格系統既存在正四面體，亦存在正六面體網格。雖然密集網格有利于改善計算精度，但需占用較多計算機資源。本文利用多套網格對網格獨立性進行了考核，考核結果如圖2所示。經過比較，本文最終選擇150萬網格系統進行后續的數值計算分析。

圖2 網格獨立性驗證

3 結果與分析

對于流場的判定，速度矢量圖最為直觀，經過模擬得到速度矢量圖，如圖3所示。從圖3(a)—(b)中可以看出，在不加設導流墻時，水泵出口水流相互影響，污水流動紊亂，容易誘發單臺泵附底渦或者附壁渦，也容易造成其他水泵空化的風險。而污水流動速度過快，容易使其相互撞擊，增加水泵軸承的負荷和結構破壞，進而影響水泵運行壽命。而在加裝較短的導流墻時，如圖3(c)—(d)所示，其污水在水泵出水口經導流墻導流，流動較為平穩，且污水水流出水均勻水泵之間相互影響減弱，水泵可以較安全平穩運行。在加裝長導流墻之后，如圖3(e)—(h)所示，各水泵進、出水流速均勻，平穩，且水泵可安全運行無噪聲、震動等現象。

圖3 速度矢量圖

本文分別對不同高度的無導流墻設置和1.8、3.5m及4.1m長度導流墻作用水泵出口變化流速和尾水池不同高度壓力情況行了計算分析，其結果如圖4—5所示。圖4可以看出，在未加裝導流墻的情況下，水流流動紊亂，速較快。而在加裝導流墻之后，水泵流速相較于未加裝導流墻的流速減緩，其出水更加平穩，且隨著導流墻高度的增加，污水離開水泵后流速逐漸減小。當導流墻達到一定高度時(3.5m)，其平緩尾水池流速及改善水泵的作用趨緩。

圖4 不同導流墻長度流速變化曲線

從圖5可以得知，在高度0.5m之下，因水泵吸水做功，故其呈現負壓狀態。當污水離開水泵之后，其在管道內水壓逐漸上升。在不加裝導流墻的前提之下，前期污水流動壓力增長平緩，后期因水流紊亂導致其壓力變化略大，不利于尾水泵房正常工作。而在加裝導流墻之后，后期壓力增加較為平緩，隨著導流墻長度的提升，其壓力較無導流墻情況下增長有所延緩。

圖5 不同導流墻長度壓力變化曲線

相比之下，安裝1.8m高度的導流墻之后，仍不能完全解決水泵出水產生的一系列問題；安裝3.5m導流墻之后對于氣旋、氣蝕現象有明顯改善；安裝4.1m高度導流墻與3.5m高度導流墻效果相類似。故最終決定選取安裝3.5m高度導流墻。

4 結語

隨著各類數值工具的發展，對水利設施進行數值模擬優化已經成為水利工程一個不可缺少的環節。對水工設備的優化不僅限于其運行狀況，更發展到導流墻等結構參數的優化。在本文數值計算研究中，分別對尾水泵房導流墻設置了3種不同高度的導流墻，最終結果如下：

(1)加設一定高度和長度的導流墻后，水流分布較為均勻，水泵之間影響減弱，其改善尾水池流場分布及水泵工作的效果隨導流墻高度和長度的增加，先顯著、后平緩。

(2)根據模擬結果，該項目采用推薦3.5m導流墻高度，運行一段時間后反饋，漩渦、汽蝕現象明顯改善，并滿足出水水質要求。